JPH04169072A - 常圧型燃料電池プラントの保護システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は常圧型燃料電池発電プラントの保護システムに
関する。

（従来の技術） 燃料電池発電は周知の通り、炭化水素系燃料を改質して
得られる水素リッチなガスと、空気とを各々、燃料電池
本体の燃料極と空気極へ送り。

電極で下記の如き電気分解の逆反応 燃料極：　２Ｈ２＋４Ｈ”＋４ｅ− 空気極：　０２＋４Ｈ”＋４ｅ−４Ｈ，０を行わせて、
外部回路へ電子（ｅ−″）を流し電気を発生させるもの
である。

従来の燃料電池発電システムを第３図を参照して説明す
る。

燃料電池発電システムは発電システムの中心となる電池
本体１の他に原燃料から改質ガスを得る改質器（リフオ
ーマ）２．変成器（シフトコンバータ）３、原燃料から
硫黄成分を取り除く原燃料前処理装置４．電池本体へ空
気を供給する空気供給装置５．燃料改質に必要な水蒸気
を分離するスチームセパレータ６、電池本体から出力さ
れる直流の電気出力を交流に変換し、系統へ供給するイ
ンバータ装置等を主構成要素としている。燃料は燃料供
給口１０から燃料前処連装！４、未改質燃料ライン８を
経てエジェクタ７に供給される。一方、スチームセパレ
ータ６で分離された改質用蒸気は改質用スチームライン
１１を通ってニジエフタフに供給される。１２は燃料供
給制御弁、１３は供給空気量制御弁、１４は電池冷却水
循環ポンプ、１５はパージ用不活性ガス供給弁、１６は
パージ用不活性ガス供給口、１７はバーナ用空気量制御
弁、１８は改質器バーナ排ガスライン、１９はプラント
排ガスである。

さて、燃料電池発電プラントの中でも改質器２とシフト
コンバータ３より成る燃料改質系は、電池本体と並ぶ主
要なコンポネントであり、ここでは例えば原燃料が天然
ガスの場合には総体として下記のような改質・変成反応
が行われる。

ＣＨ４＋２Ｈ，０４ＣＯ２＋４Ｈ２ この反応の一部は改質器２のチューブ側（プロセス側）
において触媒の存在下でなされる。改質器２のシェル側
では電池本体へ供給された改質燃料のうち電池で使われ
なかった残存分が燃焼されて、改質反応に必要な熱量を
供給している。上記反応式からもわかるとおり、改質に
は原燃料と水蒸気の両者を必要とするが、この水蒸気は
電池の反応熱により熱せられた電池冷却水を気水分離す
ることにより得られ、その温度に匹敵する飽和水蒸気ノ
圧力がリフオーマプロセス側への流入の駆動力となる。

一方、原燃料については燃料の供給源の圧力がその流入
の駆動力となる。

ところが常圧型のプラントでは燃料の供給源の圧力が高
々数百ミリ水柱であるため原燃料をプラントへ供給する
圧力としては不足する。そこで。

エジェクタを用いることによって原燃料を燃料改質系（
ＦＰＳ系）に吸引する方法が考えられている。エジェク
タとは第４図に示すように太い管から細いノズルへ流体
Ａを導き低い圧力となったノズルの先端に他の流体Ｂを
合流させてその負圧を利用して流体Ｂを吸引し、流体Ａ
と混合させるものである。

第３図においてエジェクタ７の駆動側（第４図の流体Ａ
側）には、スチームセパレータ６で分離された改質用蒸
気が改質用スチームライン１１を通って供給され、被吸
引側（第４図の流体Ｂ側）には未改質の燃料が原燃料ラ
イン８から導入されて両者混合し、改質器２へ送られる
。この場合、改質器２の入口から下流は大気圧よりも高
くなるが、燃料供給口１０からニジエフタフの吸引部ま
での流路においては、圧力が大気圧より低い状態となる
。

（発明が解決しようとする課題） 従来、プラントの周囲には燃料配管のフランジ部などか
ら漏洩した可燃性ガスを検知するセンサーを備え警報を
行ったり、場合によってはプラントを停止する等の安全
保護システムが設置されている。

しかし従来の安全保護システムは、燃料が外部に漏洩し
た場合に有効であって、常に燃料配管内の圧力が大気圧
より高いことが前提となっていた。

このようにエジェクタを用いて原燃料を吸引することに
よって蒸気と混合し、改質用のガスを得るような常圧型
の燃料電池プラントにおいては、その負圧部において配
管中に隙間が生じても外部へ漏洩するのではなく逆に大
気圧を配管中に吸込むことになる。燃料配管中に酸素を
含むガスが混入することは安全やプラントの各反応器の
機能の維持のため避けなければならず、こうした可能性
をもつ常圧型燃料電池プラントの安全保護対策はこれま
で考えられていなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は
、常圧型燃料電池プラントにおいてその負圧部の気密性
が劣化し大気圧を吸込み酸素が燃料中に混入した場合の
大事に至る危険を避ける安全保護システムを提供するこ
とにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は炭化水素系の原燃
料と水蒸気の改質により水素含有率の高い改質ガスと空
気中の酸素とを電極に導き電解質を挾んで向い合わせ、
触媒の存在下で電気化学的に電気出力を得る常圧型燃料
電池発電プラントにおいて、前記改質反応を担う改質器
入口側で改質用水蒸気の供給管の先端にエジェクタを設
け。

該エジェクタに前記改質用蒸気を通過させて前記水蒸気
と混合させて被改質ガスとして前記改質器へ供給すると
ともに前記プラントへの原燃料供給口から改質反応器よ
りも手前の燃料配管の少なくとも１ケ所から管内ガスを
引込み酸素を検出する検出装置を設け、この検出値が所
定値を越えたことを条件にプラントの緊急停止又は警報
を出すことによりプラントの安全保護を行うことを特徴
とするものである。

（作用） 本発明によれば、プラントの燃料供給口からエジェクタ
の間の何れかの気密性が破れて大気中の空気が混入した
場合、常時働いている酸素検出器により検出されたその
濃度の値が所定レベルに達したかどうかを比較器により
判定し、プラント制御装置はその判定結果に基づきプラ
ントをシャット・ダウンするか、警報指令を出す。

（実施例） 本発明の一実施例を第１図の系統図について詳細に説明
する。

第１図に示すように、燃料電池発電システムは発電シス
テムの中心となる電池本体１の他に原燃料から改質ガス
を得る改質器（リフオーマ）２、変成器（シフトコンバ
ータ）３．原燃料から硫黄成分を取り除く原燃料前処理
装置４、電池本体へ空気を供給する空気供給装置５、燃
料改質に必要な水蒸気を分離するスチームセパレータ６
、電池本体から出力される直流の電気出力を交流に変換
し、系統へ供給するインバータ装置等を主構成要素とし
ている。燃料は燃料供給口１０から燃料前処理装置４、
未改質燃料ライン８を経てエジェクタ７に供給される。

一方、スチームセパレータ６で分離された改質用蒸気は
改質用スチームライン１１を通ってニジエフタフに供給
される。１２は燃料供給制御弁、１３は供給空気量制御
弁、１４は電池冷却水循環ポンプ、１５はパージ用不活
性ガス供給弁、１６はパージ用不活性ガス供給口、１７
はバーナ用空気量制御弁、１８は改質器バーナ排ガスラ
イン、１９はプラント排ガスである。しかして発電用原
燃料の入口１０からニジエフタフの吸引部までの負圧区
間において大気中から配管内に混入した酸素を検出する
ため、エジェクタ出口と改質器入口との間の配管中から
ガスを取り出し、酸素を検出する酸素検出器２０を設け
ている。その検出値が、あらかじめ設定した基準値を越
えたか否かを判別する比較器２１．該比較器２１から信
号を受けて、これが″基準値オーバー″を示すものであ
った場合プラントをシャット・ダウンさせるプラント制
御装置２２とを設けている。

次に、本実施例の作用について説明する。

例えば運転中燃料前処理装置４の入口側配管９で気密性
が悪化して大気空気を吸込んだ場合、この混合空気はさ
らに下流に運ばれ、エジェクタ７で改質用水蒸気１１と
混合し改質器２人口へと向うが、ここで改質器入口前に
設けられた酸素検出器２０に検知され、この検知信号が
比較器２１へと伝えられ、判定信号がプラント制御装置
２２へ伝えられるとともにその判定結果にもとづいて制
御装置は負荷を切り、原燃料弁１２を閉じ、空気供給用
ブロワ５をＯＦＦとし、窒素パージを行うといった一連
のシャット・ダウン動作を行わしめ、燃料系に酸素が混
入したまま運転するのを防止する。

したがって、燃料系に酸素が混入したまま運転するのを
防ぐことによって防爆安全の確保が図れ、また、改質器
、シフトコンバータ中の触媒（とくにシフトコンバータ
）の不活性化を防止し、更に、電池本体アノードで水素
と酸素が直接反応するのを防ぐことができる。酸素が混
入すると火災爆発に至らないでもプラントの各反応器に
支障を与えるが本実施例によってこれらの危険を回避す
ることが可能となる。

第２図は本発明の他の実施例の系統図である。

なお上記実施例と同一部分には同一符号を付してその説
明は省略する。

上記実施例では検出された酸素が基準値を越えた場合、
プラントをシャット・ダウンさせるようにしたが１本実
施例では単に警報を鳴らし、シャット・ダウンさせるか
否かは操作員の判断に委ねるように構成している。また
酸素検出器２３へ導くガスをエジェクタ出口から改質器
入口間ではなくエジェクタ７より手前の燃料配管８（負
圧部）に設置している。このようにした場合、分析ガス
のドレインが少なくて済み、酸素の混入も（混入点がか
なり上流側にあっても）早くキャッチできる。

しかしその反面５検出器２３より下流側負圧部での酸素
混入については検知できず、大気に対して負圧であるた
め特別なガス吸引装置が必要となる等の不便もある。い
ずれにしても改質器、シフトコンバータの触媒を酸素に
よる不活性化から守るためにそれ以前の位置でガスを検
知しなければならない、特にシフトコンバータは不活性
化した場合再再活性化が容易ではないためここへの酸素
混入を防止する必要がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、従来はプラントの外で燃料ガスを
キャッチし、これに基づきプラントの安全保護がなされ
てきたが、一部負圧部分を有する常圧型プラントに対し
ては、その部分の気密性が劣化した場合、外部に可燃ガ
スが漏出する代りに内部に大気空気を吸込むためこれに
よって生じる防爆上の危険は防げなかったが、本発明に
よれば内部に吸引した酸素を検知してプラントシャット
・ダウン等を行うように構成しているので、こうした危
険も招かずに済み、また、酸素を吸引することによって
生じる改質器、シフトコンバータ。

電池本体における正常な反応の阻害等も防止することが
できる。これは安全性のみならずシステムの信頼性の向
上に役立つものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の系統図、第２図は本発明の
他の実施例の系統図、第３図は従来の燃料電池発電プラ
ントの系統図、第４図はエジェクタの原理を説明するた
めの図である。 １・・・電池本体　　　　２・・・改質器３・・・シフ
トコンバータ　４・・・燃料前処理装置５・・・空気供
給用ブロワ ６・・・スチームセパレータ　７・・・エジェクタ８・
・・未改質燃料ライン　　９・・・原燃料ライン１０・
・・原燃料供給口　１１・・・改質用スチームライン１
２・・・原燃料供給量制御弁 １３・・・供給空気量制御弁 １４・・・電池冷却水循環ポンプ １５・・・パージ用不活性ガス供給弁 １６・・・パージ用不活性ガス供給口 １７・・・バーナ用空気量制御井 １８・・・改質器バーナ排ガスライン １９・・・プラント排ガス　２０・・・酸素検出器２１
・・・比較＄　　　　　　２２・・・プラント制御装置
２３・・・酸素検出器 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 炭化水素系の原燃料と水蒸気の改質により水素含有率の
   高い改質ガスと空気中の酸素とを電極に導き電解質を挟
   んで向い合わせ、触媒の存在下で電気化学的に電気出力
   を得る常圧型燃料電池発電プラントにおいて、前記改質
   反応を担う改質器入口側で改質用水蒸気の供給管の先端
   にエジェクタを設け、該エジェクタに前記改質用蒸気を
   通過させて前記水蒸気と混合させて被改質ガスとして前
   記改質器へ供給するとともに前記プラントへの原燃料供
   給口から改質反応器よりも手前の燃料配管の少なくとも
   １ケ所から管内ガスを引込み酸素を検出する検出装置を
   設け、この検出値が所定値を越えたことを条件にプラン
   トの緊急停止又は警報を出すことによりプラントの安全
   保護を行うことを特徴とする常圧型燃料電池プラントの
   保護システム。